Способ контроля и диагностики состояния трубопровода и устройство для его осуществления

Способ контроля и диагностики состояния трубопровода и устройство для его осуществления

Реферат

Группа изобретений (способ и устройство) относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования технического состояния конструкции и инженерных сооружений, например, потенциально-опасных участков наземных трубопроводов, в течение всего периода их эксплуатации.

Известен способ определения местоположения течи в трубопроводах (а.с. СССР №1651016, МПК 6 F17D 5/06, опубл. 23.05.91, бюл. №19). Согласно изобретению местоположение течи регистрируют с помощью акустических колебаний, распространяющихся по металлу трубы. Недостатками данного изобретения является невозможность прогнозирования развития дефектов трубопровода и невозможность определить геометрические размеры возникшей негерметичности.

Известен способ диагностики трубопровода (патент РФ №2241174, МПК 7 F17D 5/02, опубл. 2004.11.27). Сущность изобретения: для обнаружения негерметичности трубопроводов используют в качестве передающего канала информации среду, которая его заполняет. При этом регистрируют факт возникновения негерметичности по появлению в составе спектра акустических шумов дополнительной высокочастотной компоненты. Недостатком данного изобретения является невозможность прогнозирования развития дефектов трубопровода.

Известен способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерных сооружений и устройство для его осуществления, принятые за прототип (патент РФ №2247958, МПК G01M 5/00, 7/00, опубл. 10.03.2005, бюл. №3). Способ заключается в том, что на пункте контроля регистрируют сигналы с блоков измерения, установленных в местах диагностирования конструкции, и сравнивают их с заранее зафиксированными значениями. При этом блоки измерения устанавливают на элемент конструкции, изготовленный из того же материала, что и вся конструкция. Проводят метрологическую аттестацию конструкции путем установления зависимостей между сигналами с блоков измерения и калиброванными внешними воздействиями, регистрируют их на пункте контроля и используют в качестве заранее зафиксированных сигналов. Врезают элемент с установленными на нем блоками измерения места диагностирования конструкции, и по отклонению поступивших сигналов с блоков измерения от заранее зарегистрированных сигналов судят о состоянии конструкции. Устройство содержит пункт контроля, блоки измерения, размещенные в местах диагностирования конструкции, преобразователи, линию связи, контроллер. Причем блоки измерения размещены на метрологически аттестованном элементе конструкции, изготовленном из того же материала, что и вся конструкция, и врезанном в места диагностирования конструкции. Элемент конструкции соединен с соответствующими преобразователями, связанными своими выходами с входом контроллера, подключенного к модему, который через линию связи своим выходом соединен с пунктом контроля. Недостатком данного изобретения является сложность контроля.

Техническим результатом изобретения является устранение вышеописанных недостатков, а именное упрощение контроля.

Технический результат в части способа достигается тем, что в способе контроля и диагностики состояния трубопровода, заключающемся в регистрации сигналов с блоков измерения, устанавливаемых в местах диагностирования, получаемых калиброванными внешними воздействиями, сравнении их с заранее зафиксированными эталонными значениями сигналов, полученными путем калиброванных внешних воздействий, определении отклонения контролируемых параметров, согласно изобретению осуществляют ударные воздействия и фиксируют отношение резонансной частоты отклика диагностируемого трубопровода по отношению к эталонной частоте и по его изменению определяют наличие и место расположения аварийно-опасного участка и величину повреждения трубопровода.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве для контроля и диагностики состояния трубопровода, устанавливаемом в местах диагностирования, содержащем блок измерения, преобразователь, линию связи и блок приема и обработки сигнала, согласно изобретению оно снабжено входным усилителем, двумя усилителями с фильтрами и сумматором, блок измерения выполнен в виде размещенных в корпусе пьезоэлемента, жестко закрепленного на бойке с пружиной, упирающегося в ограничители хода, ударника с калиброванной пружиной, жестко связанного с осью и рукояткой, и фиксатора, при этом усилители с фильтрами установлены параллельно между собой и соединяют входной усилитель с сумматором, соединенным с блоком приема и обработки сигнала, включающим ЭВМ и принтер.

Применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить технологию.

Способ контроля и диагностики состояния трубопровода и устройство для его осуществления поясняется чертежом, где изображены:

1 - блок преобразования электрического сигнала в цифровой код;

2 - входной усилитель;

3 - усилитель с фильтром для фиксации силы удара;

4 - усилитель с фильтром для "среза" частот, вызванных повторным отражением от поверхностей трубопровода и пропускающим сигнал резонансного отклика;

5 - сумматор сигнала;

6 - портативная электронно-вычислительная машина;

7 - принтер для печати результатов;

8 - ось с рукояткой, выполненная с возможностью линейного перемещения;

9 - фиксатор оси 8 с рукояткой;

10 - корпус;

11 - ударник с фиксированной массой, жестко закрепленный на оси 8 с рукояткой, предназначенный для нанесения калиброванного удара;

12 - калиброванная пружина ударника 11, одетая на ударник, установленная в корпусе 10;

13 - ограничители бойка 15;

14 - пружина бойка 15, одетая на боек;

15 - боек, установленный в корпусе 10;

16 - пьезоэлемент, жестко закрепленный на бойке 15;

17 - трубопровод;

18 - линия связи;

b - расстояние между ударником 11 и бойком 15.

Обеспечение промышленной безопасности и надежности магистрального трубопроводного транспорта является одним из основных условий успешного экономического развития России. Диагностика трубопроводов и своевременное выявление их дефектов, возникших в процессе эксплуатации, позволят практически исключить затраты, связанные с ликвидацией последствий аварий на трубопроводах. Для диагностики состояния трубопроводов наименее трудоемкими являются методы неразрушающего контроля. Предлагаемый метод также является неразрушающим и основан на использовании резонансных явлений. Физическая сущность метода заключается в спектральном анализе реакции трубопровода на ударное воздействие. При ударном возбуждении звука с помощью импульсного источника в трубопроводе возникают колебания, спектральный состав которых определяется геометрическими параметрами трубопровода и формой импульса удара. Трубопровод представляет собой согнутый плоскопараллельный слой. Поэтому в нем возникают резонансные явления, частоты которых связаны с толщиной стенок трубопровода, а амплитуды пропорциональны плотности спектра излучателя на этих частотах. Известно, что при исследовании спектра колебаний существенное влияние на результаты оказывает геометрия измерительной установки, в частности взаимное расположение источника звука и приемника. Поэтому пьезоэлемент жестко закреплен на бойке. При возникновении дефектов в трубопроводе на спектральной характеристике появляется резкое усиление плотности спектра вблизи частот f₀, связанных с толщиной стенки трубопровода h соотношением: f₀=c_L/2h, где c_L - скорость распространения продольных волн в трубопроводе. Получаемая в этом случае зависимость (отношение частот) позволяет судить об уменьшении толщины стенок трубопровода по отношению резонансной частоты отклика диагностируемого трубопровода к эталонной частоте и по изменению отношения определяют место расположения аварийно-опасного участка и величину повреждения трубопровода.

Способ контроля и диагностики трубопровода осуществляют следующим образом, например, при использовании для диагностики "открытого" (наземного) газопровода. С помощью устройства для осуществления способа осуществляют калиброванные внешние ударные воздействия (с заданной силой) на исследуемый трубопровод 17. Фиксируют отношение резонансной частоты отклика диагностируемого трубопровода 17 по отношению к эталонной частоте (полученной для трубопровода, изготовленного из такого же материала и такого же диаметра, что и исследуемый, при прочих равных условиях). По изменению отношения определяют месторасположение аварийно-опасного участка и величину повреждений (утонения стенок) трубопровода 17. Для более точного определения наличия и места расположения аварийно-опасного участка, при необходимости, производят дополнительные калиброванные воздействия на проблемном участке. Надежные данные могут быть получены при сгущении сетки диагностики до величины 3-х диаметров трубопровода.

Устройство для контроля и диагностики состояния трубопровода состоит из блока 1 преобразования электрического сигнала в цифровой код, соединяющего входной усилитель 2 и пьезоэлемент 16, жестко закрепленный на бойке 15. Боек 15 устанавливают в корпусе 10 с возможностью перемещения под ударным воздействием ударника 11 с фиксированной массой. Ударник 11 с фиксированной массой жестко закрепляют на оси 8 с рукояткой. Между корпусом 10 и ударником 11 устанавливают калиброванную пружину 12. Массу ударника 11 задают и калибровку пружины 12 производят в зависимости от диаметра диагностируемого трубопровода 17 в лабораторных условиях. Расстояние b между ударником 11 и бойком 15 определяют исходя из необходимой силы удара. Ударник 11 жестко закрепляют на оси 8 с рукояткой. Ось 8 фиксируют с помощью фиксатора 9. В корпусе 10 устанавливают ограничители 13 бойка 15. Между бойком 15 и корпусом 10 устанавливают пружину 14, предназначенную для "отжима" бойка 15 в исходное положение после нанесения удара. Пьезоэлемент 16 жестко закрепляют на бойке 15 и соединяют линией связи 18 с блоком 1 преобразования электрического сигнала в цифровой код. Входной усилитель 2 соединяют с усилителем 3 с фильтром для фиксации силы удара и усилителем 4 с фильтром для "среза" частот, вызванных повторным отражением и пропускающим сигнал резонансного отклика. Усилители 3 и 4, установленные параллельно между собой, связывают с сумматором сигнала 5. Сумматор 5 связывают с портативной электронно-вычислительной машиной 6 и принтером 7, предназначенным для печати результатов.

Устройство для осуществления контроля и диагностики состояния трубопровода работает следующим образом. Корпус 10 фиксируют относительно трубопровода 17, например, с помощью руки. После этого отпускают фиксатор 9 оси 8 с рукояткой. Наносят удар ударником 11 с фиксированной массой за счет упругой силы калиброванной пружины 12, установленной в корпусе 10. С помощью пьезоэлемента 16 считывают информацию об изменениях свойств трубопровода и передают ее с помощью линии связи 18 на блок 1 преобразования электрического сигнала в цифровой код. После преобразования информацию через входной усилитель 2 передают на усилитель 3 с фильтром для фиксации силы удара и усилитель 4 с фильтром, предназначенным для среза частот, вызванных повторным отражением звуковой волны и пропускающим сигнал резонансного отклика. Информация, обработанная усилителями 3 и 4, поступает на сумматор 5 сигнала, после чего информацию обрабатывают с помощью портативной электронно-вычислительной машины 6 (с помощью предустановленного программного обеспечения) и распечатывают результат на принтере 7. По изменению отношения резонансной частоты отклика диагностируемого трубопровода 17 к эталонной частоте определяют наличие и место расположения аварийно-опасного участка и величину повреждения трубопровода.

Применение предлагаемого способа контроля и диагностики состояния трубопровода и устройства для его осуществления обеспечивает:

- упрощение технологии диагностики трубопровода;

- снижение трудоемкости диагностики трубопровода.

1.Способ контроля и диагностики состояния трубопровода, заключающийся в регистрации сигналов с блоков измерения, устанавливаемых в местах диагностирования, получаемых калиброванными внешними воздействиями, сравнении их с заранее зафиксированными эталонными значениями сигналов, полученными путем калиброванных внешних воздействий, определении отклонения контролируемых параметров, отличающийся тем, что осуществляют ударные воздействия и фиксируют отношение резонансной частоты отклика диагностируемого трубопровода по отношению к эталонной частоте и по его изменению определяют наличие и место расположения аварийно-опасного участка и величину повреждения трубопровода.

2. Устройство для контроля и диагностики состояния трубопровода, устанавливаемое в местах диагностирования, содержащее блок измерения, преобразователь, линию связи и блок приема и обработки сигнала, отличающийся тем, что оно снабжено входным усилителем, двумя усилителями с фильтрами и сумматором, блок измерения выполнен в виде размещенных в корпусе пьезоэлемента, жестко закрепленного на бойке с пружиной, упирающегося в ограничители хода, ударника с калиброванной пружиной, жестко связанного с осью и рукояткой, и фиксатора, при этом усилители с фильтрами установлены параллельно между собой и соединяют входной усилитель с сумматором, соединенным с блоком приема и обработки сигнала, включающим ЭВМ и принтер.